Nature：永不消失的白血病前体细胞

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Nature：永不消失的白血病前体细胞


导读：在临床上，急性白血病（acute leukaemias）的早期进展在绝大多数时候都是悄无声息的，而且是非常短暂的。但是现在已经发现了这些早期的癌前细胞（ancestral precancerous cells），而且还发现这些细胞似乎可以在我们体内永远存活下去。
急性白血病（aggressive leukaemias）在临床上总是给人恶魔突然降临的感觉，之前往往没有任何的预兆。但是肿瘤进展演化模型（evolutionary models of cancer development）却向我们揭示了事情的真相，就好像罗马不是一天建成的，急性白血病的发展也并不是在一夜之间完成的，急性白血病细胞也是在逐渐地累积突变，然后突变的细胞继续增殖，最后形成突变细胞克隆，然后筛选出恶变率最高的细胞继续增殖，最终形成急性白血病，这也是一个一步步发展、演变，需要一段时间的细胞恶变过程。该模型提示我们，任何看起来非常突然的癌变其实都不突然，其中一定隐藏着一个“沉默的”、还没有给我们的身体带来明显异常，导致临床表现或症状的癌前细胞。Shlush等人在本期《自然》（Nature）杂志上介绍了他们的最新研究成果，他们以毫无争议的试验结果证实，早期急性髓性白血病（acute myeloid leukaemia, AML）癌细胞并没有被后来出现的、恶性程度更高、数量更多的子代癌细胞所取代，而且这些细胞最终也没有消失，还是在体内继续存在着，并且继续保持着自己独有的遗传特点和独特功能。
急性髓性白血病患者体内的癌性骨髓细胞（cancerous myeloid cell）往往都携带有突变的DNMT3a基因，该基因编码一种DNA甲基转移酶（DNA-methyltransferase enzyme）。Shlush等人连续开展了两个科研项目对这种DNMT3a基因发生突变的急性髓性白血病患者进行了研究，其中一个课题招募了4名患者，另外一个课题招募了17名患者，最后他们惊奇地发现，这21名患者中一共有15名患者T细胞内的DNMT3a基因都发生了同一种突变，而且是一种并不常见的突变。可奇怪的是，这些T细胞内却并不携带同一患者体内其它白血病细胞中存在的突变，比如NPM1等突变基因。在同一患者体内的其它免疫细胞，比如B细胞和NK细胞中也能发现这种DNMT3a突变基因，不过检出率有所不同。也就是说在骨髓细胞和非骨髓细胞中都存在这种DNMT3a突变基因，这说明应该是淋巴细胞和髓性细胞共有的前体细胞出了问题。
在所有参与研究的21名患者中，除了2名患者之外，其他19名患者体内DNMT3a基因和NPM1基因的突变率都一样高。这说明这两种突变可能都来自同一个共有的“祖先”克隆，然后由这个克隆扩增出了白血病癌细胞。于是Shlush等人就瞄准了这一点，敏锐地指出，第一个发生DNMT3a基因突变的白血病“始动突变（driver mutation）”细胞应该就是淋巴细胞和骨髓细胞的共有祖先——造血干细胞（haematopoietic stem cell, HSC），然后这些“始动突变（driver mutation）”细胞再继续分裂、增殖，其子代细胞会一直存在下去，如图1所示形成一个侵袭性的克隆细胞群体。由于Shlush等人只对几个特定的基因进行了分析，所以现在还不清楚只依靠DNMT3a突变基因这一个基因是否就足以确保可以形成突变细胞克隆，并且让突变细胞克隆持续存在下去，另外也不清楚肿瘤细胞突变的复杂程度有多么大，不过我们很有可能低估了它们的突变程度。虽然小鼠动物实验发现，NPM1基因发生突变就足以使小鼠患上AML（而且这一点在我们人类AML患者中也非常常见），但是对于绝大部分AML患者而言，这种NPM1基因突变似乎都是继DNMT3a基因发生突变之后的第二轮突变。
上述这些试验结果也与功能试验（functional experiments）的结果非常吻合，之前的功能试验发现，DNMT3a转移酶能够促进HSC细胞分化成其它子代细胞，并且可以抑制HSC细胞的自我增殖。而AML患者体内的DNMT3a基因发生突变之后，表达的DNMT3a转移酶不仅失去了正常的酶活性，而且这种突变蛋白还能够抑制其它未突变基因表达的正常DNMT3a转移酶的活性，所以就起到了促进HSC细胞自我增殖的作用。Shlush等人发现，每一名携带了DNMT3a突变基因的AML患者体内的HSC细胞的比例也较高（平均升高约30%），这说明这些携带DNMT3a突变基因的细胞拥有较高的自我更新能力。不过他们还发现，有一些DNMT3a基因发生突变的HSC细胞也能够正常的分化为淋巴细胞和骨髓细胞。 当细胞经过一段时间积累了一定的突变之后就会演变为癌症。在AML的病情进展过程中，HSC细胞是最早发生转化，具备癌性状态（cancer-like state）的细胞。这些HSC细胞分化之后主要经历以下这3条途径演变为AML。a，Shlush等人发现，AML细胞最开始不会导致任何临床表现或症状，最常出现的AML致癌突变就是DNMT3a突变。这些癌前细胞在临床检测中往往难以发现。当继续发生了其它突变，比如NPM1基因突变之后就会导致AML。b，AML也可以继发于骨髓细胞发育异常（此时不能有效地生成成熟的骨髓细胞）。各种不同的突变会导致各种不同的骨髓细胞发育异常。c，慢性髓性白血病细胞（比如BCR–ABL1基因融合突变细胞）继续突变，也可以导致恶性程度更高的慢性髓性白血病急性发作。
随后Shlush等人又用免疫细胞缺陷小鼠（immune-cell-deficient mice）和取自AML患者的血细胞重新验证了上述功能试验的结果。结果发现大约有75%的小鼠体内都出现了多种免疫细胞。然后Shlush等人对12只实验鼠中的10只进行了更深入的研究，结果发现这些小鼠体内DNMT3a基因的突变率都较高，而NPM1基因则都是正常的，这说明DNMT3a基因发生突变的HSC细胞在功能上具有绝对的优势。只有少部分小鼠体内出现了DNMT3a基因和NPM1基因都发生了突变的髓性白血病细胞。 Shlush等人进一步证实，DNMT3a基因发生突变的HSC细胞及其分化的子代细胞会持续存在于AML患者的血液中，哪怕患者的病情在化疗之后得到了缓解也不例外，这说明至少有部分癌前细胞对化疗药物是耐药的。这可能是因为有很大一部分癌前细胞都是静息期细胞（quiescent），这与其它类型的白血病以及其它肿瘤是一致的。综上所述，已经有确凿的实验结果证实，最开始出现突变的癌前细胞克隆在患者体内会持续存在下去。其它研究成果也支持这一结论，比如有研究发现，在AML患者中往往还会看到HSC细胞和B细胞内存在ETO–RUNX1基因融合突变的情况。另外一项研究在AML患者体内发现了看起来是正常的HSC细胞、骨髓细胞和淋巴细胞，可这些细胞中却也检出了部分与同一患者体内未成熟AML骨髓细胞中同样的突变。有意思的是这项研究得到了与Shlush等人相对的结论，该研究发现，HSC细胞来源的白血病前细胞经历了一个渐进的、有序的过程，依次获得了多个突变。
如图1所示，这些研究成果逐渐为我们揭示出了一个AML疾病的复杂克隆进化历程。主要源自HSC细胞的恶变前细胞不论从临床角度看还是从生物学角度看，都具有非常高的可变性，主要取决于发生了哪种（些）突变，以及这些突变对细胞的功能能够带来何种影响。类似于NPM1突变这样的普通后续突变可能会进一步抑制细胞的分化，进一步促进细胞自我更新、增殖，导致疾病进入急性发病期。这些后续突变与初始突变不同，后续突变往往会促使出现某一类型的骨髓前体细胞（myeloid progenitor），比如Shlush等人发现的，以及之前在慢性髓性白血病患者体内发现的携带NPM1突变基因的细胞。一项急性淋巴细胞白血病（acute lymphoblastic leukaemia）研究也发现了分化程度更高的子代细胞发生的继发突变，并认为这种继发突变也可能是其它肿瘤的特征。
正如Shlush等人指出的那样，他们的试验数据对临床具有好几个方面的指导意义。比如作为一直存在的，而且有可能是始动因素的DNMT3a突变基因，它既可以成为治疗的靶标，也可以成为跟踪患者治疗情况及预后的生物标志物。与此相反的是，作为后续突变的NPM1等基因，则只能够在一定的时期内起到相应的作用。另外，这些在病情缓解之后还持续存在的癌前克隆和突变的HSC细胞也是白血病复发的重要原因。不过有些携带DNMT3a–NPM1双重突变基因的AML患者在经过化疗之后，病情也会再度反复，可是当病情再次复发时就只能检出DNMT3a这一种突变基因了，这种现象也支持了上述观点。最后，研究成年人体内HSC细胞中有多少会形成DNMT3a基因突变克隆，这些克隆都位于何处，以及这些克隆演化成AML的几率有多少，需要经历多长时间，这些都是非常值得进一步去研究的课题。